橋梁抗震研究綜述

蔡子健

【摘 要】 橋梁的抗震能力是衡量橋梁是否合乎規(guī)范的重要標準，是橋梁發(fā)揮正常職能的重要條件。本文充分研究以前所發(fā)表的橋梁方面的研究成果，對當下發(fā)展較為完善的抗震研究進展進行綜合論述，提出了基于性能的抗震設計時橋梁的抗震標準，并進行科學合理的展望。

【關鍵詞】 橋梁抗震 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 減隔震設計

一、引言

橋梁通常作為一條線路的重點控制工程而建設，作為路線的關鍵節(jié)點，一旦損壞甚至垮塌，將直接使所在路線癱瘓，其重要性不言而喻。如何使橋梁正常行使工程職能，尤其是對抗極端條件的能力，是橋梁設計師要考慮的頭等問題。地震作為常見自然災害之一，也是工程師要考慮的不利因素。地震具有突然性、破壞性強、破壞面廣等特點。如果不進行針對性的設計，橋梁可能無法抵御災害的破壞而失去使用職能。1976年的唐山大地震造成的破壞震驚了世界，也給橋梁研究人員提出了新的課題。在國家大力支持下，幾十年來，我國的橋梁抗震研究碩果累累，已經(jīng)基本和國外同行站在了同一起跑線上。

二、 橋梁震害破壞機理

經(jīng)過對受震害破壞的橋梁進行損傷識別分析，發(fā)現(xiàn)由于橫向地震波使橋梁各部位之間擠壓碰撞而受到破壞是橋梁震害產(chǎn)生的重要原因。眾所周知，橋梁是由各部分連接組合而成的，連接部位如支座、橫向鉸等，當橋梁受到強烈的橫向力時，梁會發(fā)生橫向移動，擠壓碰撞相鄰的梁，連接部位受到破壞，橋面鋪裝碎裂，橋臺受到撞擊而破壞，嚴重的會導致落梁，使橋梁失去交通功能。另外，地震會使地基土松動，破壞基礎而失去承載作用。

三、橋梁抗震研究現(xiàn)狀

基于地震對橋梁的破壞機理，結(jié)合橋梁自身特點，對橋梁抗震的研究主要集中在以下幾個方面。

3.1橋梁混凝土材料損傷本構(gòu)模型。對混凝土材料的研究是橋梁研究的重要方面，對抗震來說尤其如此。在現(xiàn)實中，在地震作用下，橋梁將受到強烈的外力擾動，位移超出限值，進而導致結(jié)構(gòu)損壞。根據(jù)混凝土材料的特點，建立兩種分別對應彈性和彈塑性模式的本構(gòu)模型進行分析。

對于彈性損傷本構(gòu)模型，Mazars博士通過引用實驗測得的兩個分別由受拉和受壓而得到的損傷變量建立了一個彈性損傷模型。對于彈塑性損傷本構(gòu)模型，即將混凝土視做同時會存在彈性變形和塑性變形的材料，基于此，Simo提出了基于連續(xù)損傷的應力-應變模型，Resender提出了純經(jīng)驗的混凝土非彈性損傷本構(gòu)理論，吳建營等引入損傷能釋放率的概念，這些模型對于研究混凝土材料在塑性破壞階段的損傷行為很有用處，但沒有除去材料因損傷而導致材料特性改變所造成的誤差，其結(jié)果與實際情況有所差別。

3.2 鋼筋混凝土橋墩抗震性能及分析模型。橋墩屬于橋梁基礎部分，主要受到壓力作用，抗壓性能較好，但在地震作用下，有時會受到剪力作用，或者塑性鉸損壞，甚至因為地基土穩(wěn)定性遭到破壞，橋墩傾斜而受到偏心壓力作用。基于這些損傷形式，Prisestley通過研究低縱筋比圓形柱抗震性能的研究，建立了在軸力和彎曲相互作用下的橋墩抗震模型，精確的計算出了此種情況下橋墩的非線性性能。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析理論和設計方法。基于位移的橋梁抗震設計理論以位移為設計參數(shù)，根據(jù)不同地區(qū)、不同安全等級，確定橋梁只能有某一區(qū)域內(nèi)的位移，據(jù)此標準對結(jié)構(gòu)進行設計。Kowalsky等第一次提出此設計方法，后來的橋梁工作者又對該理論進行了一定的完善，建立了更為科學合理的理論。

基于性能的橋梁抗震設計理論要求橋梁要能承受一定程度的地震沖擊而不至于超出其允許的破壞程度，其主要思想概括起來即為：以最少的成本，達到最優(yōu)的抗震效果。依據(jù)橋梁的等級和所在線路的重要性，將其做一個重要性的劃分，據(jù)此決定其抗震等級。

3.4 橋梁減隔震技術(shù)。橋梁主要的減隔震設施就是減隔震支座，與普通支座的區(qū)別在于，它具有較好的韌性，能充分吸收地震力的能量，而不至于損壞，從而可以繼續(xù)起到支承作用。隨著材料科學的不斷進步和對地震破壞的充分認識，橋梁工作者們已經(jīng)開發(fā)出一些性能良好、適用性廣的減隔震支座，歸結(jié)起來主要有以下兩類：（1）疊層鋼板橡膠支座;（2）滑動摩擦類減震支座。

3.5 橋梁結(jié)構(gòu)易損性分析。結(jié)構(gòu)易損性為針對構(gòu)件在外力作用下達到或超過某一損傷程度的概率，對此研究的目的在于，需要知道某一類結(jié)構(gòu)在受到某一等級地震的破壞后的破壞特征，據(jù)此就可以有針對性的強化該結(jié)構(gòu)。評估結(jié)構(gòu)易損性需要做前期調(diào)查和數(shù)據(jù)處理，并相互對照，以取得較精確的結(jié)果。但此種分析方法仍然存在一些不足，如無法精確模擬地震破壞、橋梁受力特征還原不足、無法研究非規(guī)則橋梁、沒有考慮支座受拉的情況等。而由于現(xiàn)實情況的復雜性，目前尚未研究出如何利用這些結(jié)果來優(yōu)化抗震設計。

四、結(jié)論

抗震設計作為橋梁安全設計的重要組成部分，在經(jīng)過多年的案例分析和學術(shù)研究之后，已形成較成熟完備的理論體系，并運用到了實際工程中，取得了較好的預期結(jié)果。但還應該看到，由于技術(shù)和認知的限制，我們的抗震設計還遠遠做不能取得完美的結(jié)果，只能在一定程度上減小地震帶來的財產(chǎn)損失、人身安全和日常生活的干擾，而這也成為我們繼續(xù)進行相關技術(shù)攻關的動力和橋梁學術(shù)研究前進的動力。

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